工业以太网EtherCAT的实时性研究
2018-03-10胡振豪左小五万红平
胡振豪+左小五+万红平
摘 要：工业以太网EtherCAT以实时性好、拓扑灵活、易于实现等特点得到了广泛应用。实时性是控制系统的重要技术指标之一，研究控制系统的实时性能有效提高网络系统自身的实时性，减少传输过程中的通信延时。研究工业以太网EtherCAT的实时性解决方案，提出基于EtherCAT网络控制系统的通信延时计算方法，通过实验构建一个基于EtherCAT网络的控制系统。计算系统中数据帧形成所需时间，以及从站节点延时、在介质的传播延时及主站接收和转发延时，分析工程中通信延时的各组成部分。实验结果证明，EtherCAT具有良好的实时性，能够满足大部分工业现场的实时性需求。
关键词：工业以太网；EtherCAT；实时性；通信延时
DOIDOI：10.11907/rjdk.172309
中图分类号：TP393
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0179-03
0 引言
实时性是指系统对某事件反应时间的可测性，是控制系统的重要技术指标之一[1]。以太网采用多路存取监听碰撞检测（CSMA/CD）的方式，无法保证延迟时间和通信响应，使以太网不能满足工业现场应用的实时性需求[2]。经过几十年的发展，目前几种主流的工业以太网都提出了各自的实时性解决方案。Ethernet/IP和Modbus/TCP采取的方法是使用标准的以太网硬件及标准TCP/IP协议栈，通过对应用层协议的合理控制，以减小通信过程中的不确定性；Powerlink、EPA和Profinet采取的方法是使用标准的以太网硬件，但對TCP/IP协议进行了一些改进，通过某种时间控制层访问以太网资源，进而控制数据传输过程，达到延时可控效果[3]；而EtherCAT采取的方法是仅利用以太网物理层的专用从站，并对协议进行了修改。对于实时通信的数据采用介质访问控制方式，对于非实时通信的数据则按照原先的通信协议传输[4]。实际上，EtherCAT采用了InterBus的集总线帧技术，数据链路层提供的I/O节点需要更新的数据由FMMU模块直接集成到数据帧格式中发送出去，此过程在从站硬件中实现[5]，因此减少了延迟时间，确保了网络的实时性需求。
1 EtherCAT实时性
影响EtherCAT实时性的因素主要包括网络通信的实时性和控制系统的实时性，控制系统的实时性体现在自身系统硬件及规模等方面，而网络通信的实时性则体现在通信延时的高低。通信延时是指控制器与所在网络中所有节点通信一个周期所需的时间，在EterCAT网络中，通信延时TEtherCAT由数据帧形成所需时间TData、从站节点延时TNode、电缆介质传播延时TMedium以及主站接收和转发延时TMaster几部分组成[6]。因此，EtherCAT网络中的通信延时为：
1.1 数据帧形成所需时间TData
在EtherCAT网络中，有两种寻址方式：设备寻址和逻辑寻址。根据EtherCAT的报文格式，如图1所示，在使用设备寻址时，每个从站都有一个16位的本地地址空间，EtherCAT可以通过设备的位置地址和节点地址寻址[7]。使用逻辑寻址时，每个设备都有一个32位的逻辑地址空间，从站利用FMMU将数据从逻辑过程数据镜像映射到其本地地址空间，当主站配置好FMMU时，从站即可根据FMMU中的配置信息在逻辑过程数据镜像中通过逻辑地址空间寻址。因此，数据帧形成所需的时间TData根据两种寻址方式的不同而有所不同。
因为EtherCAT保留以太网帧的格式，报文不能低于64Bytes，如图1所示，其附加字节达到32Bytes，因此在所需传输数据量长度小于32Bytes时，需要增加一个补充位DPad，此时数据帧形成所需的时间为：
1.2 从站节点延时TNode
在EtherCAT网络中，从主站向从站方向传输数据时，从站需要接收处理自己站的对应数据，产生一个处理延时。而从最后一个从站回传给主站的数据，在经过之前的从站时，从站不再作处理，因此只有一个转发延时。EtherCAT支持两种类型的物理层：以太网物理层和EBUS[8]。从站物理层接口是MII，则需要外接以太网物理层芯片PHY和电压隔离器，这会增加接收和转发的额外时间Textra，但这种方式支持100BASE-TX和100BASE-FX接线，使两节点间最大间距达到100m和2km，适合较远距离的传输。而EBUS的物理层使用基于ANSI/TIA/EIA-644的低压差分信号（LVDS），速度可达100Mbit/s，EBUS不仅可以携带EtherCAT帧，而且可以携带任何以太网帧。从站接口是EBUS，则不需要外部芯片，但是传输距离最大仅为10m，常用于背板的总线[9]。因此，根据从站节点接收口P0与发送口P1类型不同，延时TNode会有以下几种情况，如表1所示。
1.3 主站接收与转发延时TMaster
主站是由一个MII口和一个EBUS口组成的，主站的接收和转发延时TMaster是由MII到EBUS的处理延时TM_E_P和EBUS到MII的转发延时TE_M_F组成的。因此，主站的接收和转发延时为：
1.4 在介质中的传播延时TMedium
一般信号在电缆中的传播延时为4.3ns/m，在光纤中的传播延时为5ns/m，所以在电缆介质的传播延时为：
2 工程应用及通信延时计算
现基于工业以太网EtherCAT技术，组建某工程控制系统网络，图2为该工程系统结构图。采用双线环网冗余，共有32路I/O模块71个，扩展模块12个，耦合模块12个。
I/O模块为EBUS输入、EBUS输出，耦合模块为MII输入、EBUS输出，末端模块为EBUS输入、MII输出。图中从站较多，为方便计算，将系统结构图简化，简化的系统结构如图3所示。endprint
2.1 通信延时计算
2.1.1 数据帧形成所需时间TData计算
因为系统中大多为I/O数据，采用周期性过程数据采集，因此一般采用逻辑寻址，根据式（5）、（6）得出数据帧形成所需的时间为：
2.1.2 从站节点延时TNode计算
根据倍福公司提供的硬件数据[10]，如表2所示，可以得到各种类型从站的节点延时。I/O模块输入输出接口都为EBUS，则其普通輸入输出的从站节点延时TNode_EE为280ns；耦合模块的输入接口为MII，输出接口为EBUS，则耦合模块的从站节点延时TNode_ME为770ns；扩展模块输入为EBUS，输出接口为MII，则扩展模块的从站节点延时TNode_EM为770ns。因此，从站节点数据帧延迟时间为：
2.1.3 主站接收与转发延时TMaster计算
根据式（8）计算得到主站接收和转发数据帧的延迟时间为：
2.1.4 电缆介质传播延时TMedium计算
该工程系统采用的是环网，在线路正常，没有出现故障的情况下，数据帧在电缆中不存在来回传输，因此电缆长度即为数据在电缆介质中传播的长度。据估计，工程中需用电缆长度500m，光纤长度16km，因此根据式（9）可计算得数据帧在电缆介质中的传播延迟时间：
2.2 结果计算
根据以上计算数据和式（1），得到该工程中的通信延时为：
在介质中传播延时占通信延时的百分比：
工程约有100个节点的2 000多个开关量I/O，以及16.5km长的线路，基于工业以太网EtherCAT构建的如此规模的控制系统网络中，通信延时仅为0.12ms，在介质中传播延时占通信延时的68%，几乎将实时性做到了极致。相比于profibus-DP网络中相同规模的网络，通信延时最多可达到10ms，远高于EtherCAT。而且在对实时性要求较高的控制信号进行通信时，一般采用实时性较好的I/O通信，在对实时性要求不太高的采集信号进行通信时，则一般采用非实时性通信。在EtherCAT中，通信延时要比许多现场总线I/O的延时低，因此很多传感器的采集信号、电压电流信号都可采用实时通信的方式。EtherCAT良好的实时性不仅满足了工业控制的需求，而且改变了行业内一贯的通信方式。
3 结语
综上述，在本文构建的基于工业以太网EtherCAT的工程系统网络中，从站节点延时与介质传播延时为通信延时的主要组成部分。因此，系统的规模和节点数是影响系统通信延时的重要因素。通过计算分析通信延时的各个组成部分，可以系统地分析该工程的延迟时间，进一步验证了工业以太网EtherCAT总线具有良好的实时性，为工业控制提供了一种新的思路。
参考文献：
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[9] 郇极，刘艳强.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学大学出版社，2010.
[10] BECKHOFF.Beckhoff ET1100 slave controller harder data sheet[EB/OL].http：//www.beckhoff.com.endprint
